半导体二极管与整流电路

半导体二极管与整流电路1第一页，共四十三页，编辑于2023年，星期日主要内容半导体及其导电机理 载流子及其分类PN结及其单向导电性 正偏与反偏二极管及其伏安特性

二极管应用：整流、限幅、检波等特殊二极管：稳压二极管、光敏二极管、发光二极管

教学要求1.理解PN结的单向导电性；2.了解二极管、稳压管、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；3.分析含有二极管的电路；理解并掌握单相整流电路和滤波电路的工作原理及参数的计算;4.了解稳压管稳压电路的工作原理。导体的导电机理电阻的双向导电性电阻的伏安特性2第二页，共四十三页，编辑于2023年，星期日1.1半导体的基础知识导体conductor

：容易导电的物体，金属一般都是导体。绝缘体nonconductor

：不容易导电的物体

。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体semiconductor：室温时电阻率约在10-5～107Ω·m之间。导电特性处于导体和绝缘体之间，并有负的电阻温度系数的物质，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。1911年考尼白格和维斯首次使用这一名词。不同于其它物质，所以它具有不同的特点。例如：热敏性和光敏性：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。例如：热敏电阻、光敏电阻、光敏三极管等。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。例如：纯硅掺杂百万分之一硼，电阻率从大约4×10-3Ω·m到2×103Ω·m。（可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。半导体的导电机理3第三页，共四十三页，编辑于2023年，星期日一、本征半导体的结构特点GeSi现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。纯度

99.9999％，甚至达到99.9999999％以上。

1.1.1本征半导体intrinsicsemiconductor硅和锗的晶体结构在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。4第四页，共四十三页，编辑于2023年，星期日共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子硅和锗的共价键结构形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子（价电子），常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。5第五页，共四十三页，编辑于2023年，星期日在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子carrier），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于温度增加或受光照激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子freeelectron

，同时共价键上留下一个空位，称为空穴hole。这一现象称为本征激发。二、本征半导体的导电机理

1.载流子:自由电子和空穴*+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子6第六页，共四十三页，编辑于2023年，星期日+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的价电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。2.本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，本征半导体中会形成电流，由两部分组成：

1.电子电流：自由电子移动产生的电流。2.空穴电流：空穴移动（价电子递补空穴）产生的电流。本征半导体导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的重要外部因素，这是半导体的一大特点。7第七页，共四十三页，编辑于2023年，星期日在本征半导体中掺入某些微量的杂质（离子注入工艺）

，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。1.1.1杂质半导体extrinsicsemiconductor

一、N型半导体N-typesemiconductor：N指negative。在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。例如：27℃，纯硅约有自由电子或空穴1.5×1010个/cm3，掺杂为N型半导体后自由电子数增加几十万倍，空穴数减少为2.3×105个/cm3二、P型半导体P-typesemiconductor：P指positive。在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子（价电子）来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。8第八页，共四十三页，编辑于2023年，星期日+4+4+5+4多余电子磷原子一、N型半导体N-typesemiconductor空穴硼原子+4+4+3+4N型半导体中的载流子是什么？1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。2.本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。多数载流子（多子）：自由电子少数载流子（少子）：空穴P型半导体中：多数载流子：空穴少数载流子：电子P型半导体中的载流子是什么？二、P型半导体P-typesemiconductor9第九页，共四十三页，编辑于2023年，星期日－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多数载流子和少数载流子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多数载流子。近似认为多子与杂质浓度相等。杂质型半导体整体是不带电的。三、杂质半导体的符号10第十页，共四十三页，编辑于2023年，星期日P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散运动使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区也称耗尽层。对扩散运动起阻挡作用也称阻挡层在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结PNjunction。1.1.2PN结及其单向导电性PN

结的形成11第十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期日所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的宽度固定不变。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E12第十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期日－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区注意:1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区中的电子（都是多数载流子）向对方运动（扩散运动）。3.P

区中的电子和N区中的空穴（都是少数载流子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。13第十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期日正向偏置:PN结加正向电压(P+,N-)

，即:P区加正、N区加负电压。反向偏置:PN结加反向电压(P-,N+)

，即:P区加负、N区加正电压。PN结的单向导电性unilateralconductivityPN结的单向导电性：正偏导通，反偏截止*正偏:正向偏置。导通:PN结正向电流(P→N)大，正向电阻(P→N)小。反偏:反向偏置。截止:PN结反向电流(N→P)小，反向电阻(N→P)大。内电场被削弱，加强多子扩散运动，形成较大的正向扩散电流。内电场外电场变薄内电场外电场变厚REPN+_－+－+内电场被加强，加强少子漂移运动，形成较小的反向漂移电流。正偏反偏REPN_+－+－+PN结的光生伏打效应：受到光照后能产生电动势。可制造光电池。

14第十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期日1.2.1基本结构：PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：1.2 半导体二极管diode实际二极管电流小，适用于高频和小功率工作，常用作数字电路中的开关元件电流大，适用于低频和大功率工作，常用来整流15第十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期日死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR1.2.2伏安特性volt-amperecharacteristic

理想伏安特性正向导通时：正向压降为零，正向电阻为零，正向电流？反向截止时：反向压降？反向电阻无穷大，反向电流为零。实际伏安特性导通压降:硅管0V,锗管0VUIUBR导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3VUIUBRUI结合伏安特性，如何理解“正偏导通，反偏截止”？正向特性反向特性伏安特性上，普通二极管工作范围是哪段曲线？PN+-正向偏置PN-+反向偏置16第十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期日1.最大整流电流

IOM：二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压UBR：二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URWM一般是UBR的一半。隧道击穿（也叫齐纳击穿）击穿电压小于6V，有负的温度系数；雪崩击穿，击穿电压大于6V，有正的温度系数。

1.2.3主要参数—直流参数3.反向电流IR：指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。反向饱和电流：本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。

以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。17第十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期日（4）微变电阻rDiDuDIDUDQrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。uDiD1.2.3主要参数—交流参数（5）二极管的极间电容二极管两极之间有电容，由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容：当电压变化时，就会引起积累在势垒区（积累空间电荷的区域）的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。18第十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期日CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路势垒电容和扩散电容的综合效应rd二极管的微变电阻和极间电容为交流参数扩散电容CD

：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。P+-N19第十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期日电路如图，求：UABV阳

=－6V、V阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–1.3半导体二极管的简单应用

限幅、钳位、整流、检波、保护电路、开关元件解：20第二十页，共四十三页，编辑于2023年，星期日ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例2：ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––解：21第二十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期日RLuiuouiuott二极管应用举例1：二极管半波整流整流电路是把交流电压转变为直流脉动的电压。常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式整流等。二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)。为分析简单起见，我们把二极管当作理想元件处理，理想二极管，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。即，死区电压=0，正向压降=0

1.4二极管整流电路rectifiercircuit22第二十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期日电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo整流电路滤波电路稳压电路整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压u0的稳定。直流稳压电源的组成和功能RL23第二十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期日uDO2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D导通；3.工作波形u负半周，Va<Vb，二极管D截止。1.电路结构

–++–aTrDuoubRLioutOuoO1.4.1单相半波整流电路的工作原理*4.参数计算输出电压平均值（U0）：整流电流平均值：二极管承受的最高电压：二极管上的平均电流：24第二十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期日4.参数计算（1）整流电压平均值Uo（2）整流电流平均值Io（3）流过每管电流平均值ID（4）每管承受的最高反向电压UDRM（5）变压器副边电流有效值I5.整流二极管的选择平均电流ID与最高反向电压UDRM

是选择整流二极管的主要依据。选管时应满足：IOM

ID

，URWMUDRM

25第二十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期日u2>0时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:由+经D1RLD3-u2<0时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:由-经D2RLD4+输出是脉动的直流电压！u2桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形uD4,uD2uD3,uD1uoRLu2D4D2D1D3u0+-ABCD1.4.2单相桥式整流电路的工作原理*26第二十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期日负载电压U0的平均值:负载上的(平均)电流:整流二极管平均电流ID：二极管截止时两端承受的最大反向电压：每个二极管只有半周导通。流过每只整流二极管的平均电流ID

是负载平均电流的一半。u2uD4,uD2uD3,uD1uoio27第二十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期日i0

平均值I0

:U0=0.9U2输出电压波形：二极管上承受的最高电压:二极管上的平均电流:uou1u2aTbD1RLu0D2u2i0u0平均值U0:1.4.3单相全波整流电路的工作原理只给出分析结果，请自行分析。28第二十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期日+AC-~+~-

~+-~几种常见的硅整流桥29第二十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期日4.有电容滤波的整流电路滤波原理:交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。1.4.4滤波器filter滤波器的作用：改善整流电路输出电压的脉动程度，使脉动直流变得较为平滑。30第三十页，共四十三页，编辑于2023年，星期日u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCRL接入（且RLC较大）时u2tu0t0m段，u2上升，u2>uc，D1D3导通，电容充电，u0=u2；mn段，u2正弦规律下降，uc也下降，过了n点后，

u2<uc，D1D3截止，电容通过RL放电，u0=uc；n1段，D1D3截止，电容通过RL放电，u0=uc；1k段，进入负半周，D1D3截止；-u2<uc，D2D4也截止。电容继续通过RL放电，u0=uc；过了k点后，-u2>uc，D2D4导通，电容充电，u0=-u2；往后重复以上过程……mn012km'31第三十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期日一般取(T:电源电压的周期)近似估算:U0=1.2U2。(2)流过二极管瞬时电流很大RLC越大U0越高,负载电流的平均值越大整流管导电时间越短iD的峰值电流越大故一般选管时，取电容滤波电路的特点(1)输出电压U0与时间常数RLC有关RLC愈大电容器放电愈慢U0(平均值)愈大，32第三十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期日输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,U0和S也随之改变。如:RL愈小(I0越大),U0下降多,S增大。电容滤波电路适用于输出电压较高,负载电流较小且负载变动不大的场合。(3)、输出特性(外特性):uL电容滤波纯电阻负载1.4U20.9U20IL结论33第三十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期日例题有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。流过二极管的电流二极管承受的最高反向电压变压器副边电压的有效值

uRLuo++––~+C解：（1）选择整流二极管可选用二极管2CP11IOM=100mAUDRM=50V

（2）选择滤波电容器已知RL=50可选用C=250F，耐压为50V的极性电容器34第三十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期日（1）滤波原理:对直流分量(f=0):XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:f越高,XL越大,电压大部分降在XL上。因此,在输出端得到比较平滑的直流电压。U0=0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：u2u1RLLu06.有电感滤波的整流电路（2）电感滤波的特点:整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重,体积大,易引起电磁干扰。35第三十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期日为了改善滤波特性，可采取多级滤波的办法,如在电容滤波后再接一级RC滤波电路，或在电感滤波后面再接一电容。从而构成RC-型或L-C型滤波电路，其性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似。u0Ru2u1C1C2u0´RL7.RC-滤波36第三十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期日UIIZIZmaxUZIZ曲线越陡，稳压性能越好。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。1.5稳压二极管zenerdiode工作于反向击穿区，起稳定电压的作用伏安特性上，稳压二极管工作范围是哪段曲线？利用稳压二极管或普通二极管的正向压降，是否也可以稳压？37第三十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期日（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数（1）稳定电压

UZ（2）电压温度系数U（%/℃）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻工作于反向击穿区，起稳定电压的作用。稳压值有一定的分散性稳压电路稳压原理uoiZDZRiLiuiRL+－限流电阻+－uiuoUz稳压管特性iziuR

Uo稳定38第三十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期日稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax求：电阻R和输入电压ui的正常值。—方程1负载电阻RL=2kΩ。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin—方程2联立方程1、2，可解得：39第三十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期日反向电流随光照强度的增加而上升。IV照度增加1.6光敏二极管1.7发光二极管

photosensitivediode

LED:light-emittingdiode有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。开关二极管、……光电二极管可用于光的测量，可当做一种能源(光电池)。半导体照明：半导体中载流子发生复合时放出过剩的能量而引起光子发射。节能80%；寿命长10倍，6万到10万小时；256×256×256种颜色；环保，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收；数字信息化